麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的研究人員開發(fā)了一種名為PhysiOpt的創(chuàng)新系統(tǒng)，成功解決了生成式AI在3D設(shè)計(jì)方面的重要局限性。該系統(tǒng)將生成式AI與物理仿真相結(jié)合，確保生成的個(gè)人物品設(shè)計(jì)不僅外觀精美，而且在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)際可用。

傳統(tǒng)的生成式AI模型雖然能夠創(chuàng)造出極富想象力的3D設(shè)計(jì)，但往往缺乏對物理原理的理解。以微軟的TRELLIS系統(tǒng)為例，它能根據(jù)文本提示或圖像創(chuàng)建3D模型，但其設(shè)計(jì)的椅子可能結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或存在斷開的部分。由于模型無法充分理解物體的實(shí)際功能，即便設(shè)計(jì)可以3D打印，在真實(shí)使用中也很可能出現(xiàn)故障。

PhysiOpt系統(tǒng)的獨(dú)特之處

PhysiOpt系統(tǒng)通過為生成式AI模型添加"現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)"機(jī)制來解決這一問題。該系統(tǒng)將物理仿真與AI設(shè)計(jì)結(jié)合，能夠快速測試3D模型的結(jié)構(gòu)可行性，在保持整體外觀和功能的同時(shí)對細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

使用PhysiOpt時(shí)，用戶只需輸入想要?jiǎng)?chuàng)建的物品描述和用途，或者上傳圖像到系統(tǒng)界面，大約半分鐘內(nèi)就能獲得一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的3D設(shè)計(jì)。例如，CSAIL研究人員使用該系統(tǒng)生成了一個(gè)"火烈鳥形狀的飲用杯"，最終3D打印出了一個(gè)帶把手和類似火烈鳥腿部底座的飲用杯。在設(shè)計(jì)生成過程中，PhysiOpt會進(jìn)行微小調(diào)整以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

智能設(shè)計(jì)的工作原理

該系統(tǒng)采用"智能設(shè)計(jì)"方法，AI生成器根據(jù)用戶規(guī)格創(chuàng)建物品，同時(shí)考慮功能性。用戶可以接入自己喜歡的3D生成式AI模型，輸入想要生成的內(nèi)容后，還需指定物體應(yīng)承受的力量或重量。這種方式可以模擬真實(shí)使用場景，比如預(yù)測掛鉤是否足夠牢固來懸掛衣服。

用戶還需指定制造材料（如塑料或木材）以及支撐方式——例如杯子放在地面上，而書擋則靠在書籍上。根據(jù)這些具體要求，PhysiOpt開始迭代優(yōu)化物體設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)內(nèi)部，PhysiOpt運(yùn)行一種名為"有限元分析"的物理仿真來對設(shè)計(jì)進(jìn)行壓力測試。這種全面掃描會在3D模型上生成熱圖，顯示設(shè)計(jì)中支撐不足的區(qū)域。例如，在生成鳥屋時(shí)，可能會發(fā)現(xiàn)房屋下方的支撐梁顯示為亮紅色，表明如果不加固，房屋將會倒塌。

創(chuàng)新的無訓(xùn)練方法

PhysiOpt還能創(chuàng)造更加大膽的設(shè)計(jì)。研究人員制作了一個(gè)蒸汽朋克風(fēng)格的鑰匙架，具有復(fù)雜的機(jī)械外觀掛鉤，還有一張可以放置物品的"長頸鹿桌子"。系統(tǒng)能夠理解"蒸汽朋克"的含義以及這種獨(dú)特家具的外觀，這得益于其使用預(yù)訓(xùn)練模型，該模型已經(jīng)見過成千上萬種形狀和物體。

共同第一作者、MIT電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生Clément Jambon表示："現(xiàn)有系統(tǒng)通常需要大量額外訓(xùn)練才能對用戶需求有語義理解，但我們使用的模型已經(jīng)內(nèi)置了這種創(chuàng)建感知，所以PhysiOpt是免訓(xùn)練的。"

通過使用預(yù)訓(xùn)練模型，PhysiOpt能夠利用"形狀先驗(yàn)"知識，即基于早期訓(xùn)練對形狀外觀的了解來生成用戶想要的內(nèi)容。這類似于藝術(shù)家重現(xiàn)著名畫家風(fēng)格，他們的專業(yè)技能源于對各種藝術(shù)方法的深入學(xué)習(xí)。

性能優(yōu)勢與應(yīng)用前景

CSAIL研究人員觀察到，PhysiOpt的視覺知識幫助它比可比較的"DiffIPC"方法更高效地創(chuàng)建3D模型。當(dāng)兩種方法都被要求生成椅子等物品的3D設(shè)計(jì)時(shí)，CSAIL的系統(tǒng)每次迭代速度快近10倍，同時(shí)創(chuàng)建出更逼真的物體。

PhysiOpt在想法與現(xiàn)實(shí)個(gè)人物品之間架起了潛在橋梁。你認(rèn)為很棒的咖啡杯創(chuàng)意可能很快就能從電腦屏幕跳到你的桌子上。雖然PhysiOpt已經(jīng)為設(shè)計(jì)師進(jìn)行壓力測試，但它可能很快就能預(yù)測載荷和邊界等約束條件，而無需用戶提供這些細(xì)節(jié)。這種更加自主的常識性方法可能通過結(jié)合視覺語言模型來實(shí)現(xiàn)，該模型將對人類語言的理解與計(jì)算機(jī)視覺相結(jié)合。

未來發(fā)展方向

Zhan和Jambon計(jì)劃通過使系統(tǒng)更具物理感知能力來消除PhysiOpt 3D模型中偶爾出現(xiàn)的偽影或隨機(jī)片段。MIT科學(xué)家還在考慮如何為各種制造技術(shù)建模更復(fù)雜的約束條件，比如最小化3D打印中的懸垂組件。

這項(xiàng)研究得到了MIT-IBM沃森AI實(shí)驗(yàn)室和緯創(chuàng)公司的部分支持。研究人員已于12月在亞洲計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和交互技術(shù)SIGGRAPH會議上展示了這項(xiàng)工作。

Q&A

Q1：PhysiOpt系統(tǒng)是什么？它能解決什么問題？

A：PhysiOpt是MIT研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的創(chuàng)新系統(tǒng)，它將生成式AI與物理仿真相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)AI生成的3D設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)中不可用的問題。該系統(tǒng)確保生成的杯子、鑰匙架、書擋等個(gè)人物品設(shè)計(jì)既美觀又實(shí)用，能在3D打印后正常使用。

Q2：PhysiOpt如何確保生成的3D設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)中可用？

A：PhysiOpt運(yùn)行有限元分析物理仿真來對設(shè)計(jì)進(jìn)行壓力測試，生成熱圖顯示結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域。系統(tǒng)會根據(jù)用戶指定的承重要求、材料類型和支撐方式，自動優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的同時(shí)保持整體外觀和功能。

Q3：使用PhysiOpt需要額外訓(xùn)練嗎？生成速度如何？

A：PhysiOpt采用免訓(xùn)練方法，使用已經(jīng)見過成千上萬種形狀的預(yù)訓(xùn)練模型。用戶只需輸入描述或上傳圖像，大約半分鐘就能獲得可行的3D設(shè)計(jì)。與類似的DiffIPC方法相比，PhysiOpt每次迭代速度快近10倍。